多點溫度檢測系統(tǒng)

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畢業(yè)設計設計題目：多點溫度檢測系統(tǒng)姓

名：

學

院：

職業(yè)技術學院

專

業(yè)：機電一體化

班

級：

高職機電

指導教師：

.摘要本設計根據課題要求，無論主控器單元還是各檢測器單元都選用了價格低廉的AT89S52單片機為CPU，選用完全符合測量溫度范圍要求且工作一致性很高的PT100熱電阻作為溫度傳感器，由自行設計的精密恒流源電路構成能補償溫度傳感器線路阻抗的四線制高精度采樣電路，信號的調理主要由失調電壓很低、線性誤差極小的高精度儀用放大器AD620來完成。還可以通過主控單元的鍵盤來設定各檢測器的各種參量，并具有溫度數碼顯示、報警存儲、系統(tǒng)時鐘等功能；系統(tǒng)增加的用PC機來實現各種參量的設置也符合目前對工業(yè)現場參數遠程監(jiān)控的要求，能對現場的溫度數據進行存貯、報警、打印曲線等功能?，F場所有的通信總線采用技術十分成熟的RS-485。為提高測量精度，采用分段的最小二乘法對實驗數據進行預處理，采用0.1級的標準電阻箱對系統(tǒng)進行與PT100的分度表進行誤差對比。經過各項實驗測試，該系統(tǒng)的性能指標不僅全部達到了任務書的基本要求，而且在各檢測單元具有獨立的非掉電的系統(tǒng)時鐘、主控器所帶檢測器容量、增加的溫度超限聲光報警、與PC機通信等多方面達到或超過發(fā)揮部分的要求。該系統(tǒng)根據需要，稍加改造可方便地移植于壓力、液位、流量等方面的檢測場合。方案的比較與電路選擇根據競賽設計任務的總體結構框圖，構成多點溫度檢測系統(tǒng)的總體方案是采用主從網絡式結構，為考慮目前工業(yè)現場的各類智能分站大多采用PC機作為上位微機，因此，我們對本方案進行修改，修改后的方案是將題目要求的主控器單元與我們增加的PC機功能并列，從而實現PC機在參數設置（包括系統(tǒng)檢測器的容量設置、各檢測器的系統(tǒng)時鐘設置，溫度報警值的設置等）、各檢測器的溫度歷史數據、報警記錄以及形象直觀的溫度工作曲線（可調出觀察也可打印存檔）等方面的優(yōu)勢。具體修改后的結構框圖如下圖一所示：溫度檢測點1溫度檢測點1溫度檢測點2檢測器單元1顯示器鍵盤打印機PC機檢測器單元2主控器單元圖一系統(tǒng)框圖除了總體方案的改進之外，根據題目的要求，本系統(tǒng)的硬件制作的部分主要是主控器和檢測器兩部分，而且，分析題目的所有設計要求，本系統(tǒng)為典型的單片機檢測應用系統(tǒng)，而原先采用的模擬式和數字式都很難實現本系統(tǒng)所有的功能，因此，本系統(tǒng)上述兩部分硬件的方案我們直接采用智能式的單片機系統(tǒng)，根據題目的要求，我們采用的主控器和檢測器的結構簡圖見下圖二所示。檢測器部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路（采樣）、放大器、A/D轉換電路、看門狗和存儲器電路、時鐘電路、顯示電路、聲光報警電路以及與主控器或PC機的通信電路等。圖二中虛框內的部分為主控器的結構簡圖，它與檢測器在硬件上的主要區(qū)別是少了檢測器的溫度信號的獲取、調理電路以及A/D轉換電路，多了鍵盤電路。溫度傳感器溫度傳感器采樣電路放大器A/D轉換時鐘電路CPU聲光報警溫度及時鐘顯示鍵盤看門狗及存儲器通信電路圖二主控器和檢測器結構簡圖下面對各部分的電路設計與選擇介紹如下：⑴傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數、高電阻率、化學、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如Pt100、Pt1000等。近年來各半導體廠商陸續(xù)開發(fā)了數字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機的接口簡單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術，MAXIM公司的2種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質均為數字輸出，而ADI公司的AD7416的數字接口則為近年也比較流行的I2C總線，這些本身都帶數字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點是測溫的范圍太窄，一般只有-55～+125℃，而且溫度的測量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測溫中應用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫范圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導線誤差、動態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫范圍寬，精度高，反應速度快，既可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面積目標的溫度。目前運用受限的主要原因一是價格相對較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本課題的任務要求測量的范圍為0℃～400℃，測量的分辨率為±0.1℃，綜合價格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫范圍從－200℃～＋650℃。具體的分度特性表見附錄Ⅱ所示。⑵CPU的選擇用微型計算機滲透到測試領域并得到充分發(fā)揮，是現代測試技術發(fā)展的必然趨勢，也是目前作為智能儀表的設計的一般方法，目前市場上的單片機從數據總線寬度上來分主要有8位機、16位機、32位機，其中的32位單片機近年來在信號分析與處理、語音處理、數字圖象處理等數字信號處理運用領域得到廣泛的運用，但在工業(yè)測控現場，占主導地位的還是8位機和16位機，對本課題涉及的高精度多路溫度的測量，運用單片機的主要目的是構成一個具有一定判斷、運算能力以及具有存儲、顯示、通信等功能的智能測量儀表，它所處理的信息量和復雜程度由于是溫度因而用8位機已經足夠了。目前，生產單片機的廠商有很多，尤其是近年來微電子技術、計算機技術的飛速發(fā)展，比較著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半導體企業(yè)。在上述著名的半導體企業(yè)產品中，尤其在工業(yè)測控場合，運用較多的為Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，近年來，隨著Intel公司對8031內核的公開以及各半導體企業(yè)在關鍵技術上的相互滲透，不僅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企業(yè)目前都生產MCS-51系列的CPU。近十年來在工業(yè)測控領域，國內運用最多的恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的標準型產品不僅在指令上，而且在管腳上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片內存儲器、振蕩電路、功耗、軟件加密以及內置看門狗等技術水平上均有很大程度的提高，使國內的智能儀表行業(yè)的設計與開發(fā)者越來越感到使用和設計上的方便。根據我們學生掌握的程度，本設計最終選用ATMEL最新的8位單片機AT89S52作為本系統(tǒng)的CPU。下面簡單地介紹一下89S52的特性：與MCS-51產品兼容，包括引腳；8K字節(jié)可編程閃速程序存儲器，壽命：1000寫/擦循環(huán)；全靜態(tài)工作：0～33MHz；3級程序存儲器加密鎖定；256×8位內部RAM；32條可編程I/O線；兩個16位定時器/計數器；8個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式，從掉電模式中斷恢復；看門狗定時器；雙數據指針；斷電標志等。⑶A/D轉換器的選擇在智能儀表中，對一般的模擬信號處理為能被計算機所接受的數字信號，無外乎以下兩種方式，要么A/D轉換，要么V/F轉換，對于在工業(yè)上對現場的信號需要遠距離傳送的信號，我們經常采用頻率信號傳輸，但在本設計課題，我們用最常用的A/D轉換作為我們模擬信號變換成數字信號的基本思路。對于A/D轉換來說，最重要的2個技術指標是轉換的速度以及轉換的精度。由于本系統(tǒng)的分辨率指標為0.1℃，而測量的溫度范圍為0～400℃，因此必須采用12位以上的A/D轉換器，對于速度，由于測量的物理量是溫度，因此一般的都能滿足，常用的12位以上的A/D 轉換器有ICL7135、AD574、TLC2543等，ICL7135、AD574由于與CPU的接口是并行接口，因此，相對結構復雜，在短時間的比賽中，考慮工藝的問題而不宜采用，而且AD574的價格也相對較貴，這里，我們選擇結構簡單的串行輸出的TLC2543作為A/D轉換器件，TLC2543是帶串行控制和11個輸入端的12位開關電容逐次逼近模數轉換器，具有片內采樣－保持功能，轉換結束標志引腳指示轉換的完成。器件中的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗的基準電壓，具有簡化比率轉換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點，在整個溫度范圍內具有較小的轉換誤差。當然在我們的設計中，每個檢測器只有一路溫度測量，因此只用TLC2543的一路輸入即可，在多通道的測量場合，該芯片同樣適用！具體的引腳關系等見本報告的后面的原理圖。這里值得注意的是，為提高本系統(tǒng)的測量精度，該芯片的參考電壓的必圖三A/D轉換原理圖須穩(wěn)定，因此，不能將它接在普通的＋5V電源上，而是通過精密的基準電壓源LM336－5.0V來實現，考慮該器件輸出的結果必須小于電源電壓，同時考慮多個檢測器工作的一致性，因此，設計時將它接成在小范圍內可調的方式，這里，我們將LM336－5.0的輸出結果調整在4.900V。具體的A/D轉換原理圖見上圖三所示。⑷信號調理電路的選擇調理電路的作用是將來自于現場傳感器的信號變換成前向通道中A/D轉換器能識別的信號，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調理電路完成的怎樣將與溫度有關的電阻信號變換成能被A/D轉換器接受的電壓信號。恒流源電路的設計由PT100構成信號的獲取電路常用的方法有2種，一種是構成的十分常見的電橋電路，當然，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運用恒流源電路，將恒流源通過溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結構形式見下圖四所示。圖四兩種信號獲取電路的結構根據測試技術的有關知識，圖a的輸出與電阻的阻值不是個正比的關系，因而數據處理起來特別麻煩，尤其是用單片機來處理這些非線性的問題；而圖B的由于恒流源的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源電路來獲取溫度信號。恒流源電路的設計，有用三極管構成的，有用專門的恒流管，也有用價格低廉的器件通過比較巧妙的設計構成的，本系統(tǒng)是采用價格低廉的運放為核心來構成的，恒流效果十分理想，系統(tǒng)設計的恒流源電路見下圖五所示。圖五由運放構成的恒流源電路上圖中，由于運放虛地的結果，造成OP07的反相輸入端為0V，而圖中1.5K電阻的下端由于運用精密的電壓源LM336-2.5，外加調整電路，該點電壓可調整為2.500V，而由于運放的輸入阻抗極高，輸入端可以認為不吸入電流，因此從1.5K電阻上流過的電流大小固定而且一定等于OP07輸出端流入溫度傳感器PT100的電流，從而達到恒流的效果，連接PT100兩端的壓差正好反映溫度變化的信號送入后級的放大器。這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個因素有關，圖示1.5K電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好，我們采用的是北京七一八廠的高精度高穩(wěn)定的電阻；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運放，包括產生虛地處的運放（圖中OP07）和后級的放大器（圖中的AD620），否則較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點是參考電壓（圖中是－2.5V）的穩(wěn)定性要高，參考電壓的獲得同上述A/D的參考電壓基準一樣，只不過這里采用是LM336-2.5V而已。溫度傳感器的安裝技術溫度傳感器在現場的安裝對于本檢測器來說是至關重要的，如果安裝方法不當，則直接造成設計的失敗，例如，若采用將上圖中的PT100溫度傳感器從圖示位置拉出安裝在現場，則由于不同的測量現場，線路長度的不一造成線路阻抗的不一，而且，該線路的阻抗與PT100的阻值都成了反映溫度變化的變量，直接送入后級放大器，顯然是錯誤的，這種接線方法稱之謂兩線制，其電氣原理圖見下圖六左圖所示，下面再來看右圖的四線制，后級得到的電壓值還是熱電阻PT100兩端的電壓，由于后級運放的高阻抗，中間的2跟長線實際上是不產生壓降的，而電路板的－2.500v電壓如果還是很準，OP07的虛地概念繼續(xù)存在，高質量的電阻依舊，則恒流值是不變的，故系統(tǒng)可完全不用考慮不同場合的溫度測點到達本檢測器的距離不一的問題，因此，四線制盡管多花消了線路成本，但達到了高精度的目標，這對于本高精度的溫度測量系統(tǒng)來說是非常關鍵的。圖六兩線制與四線制的電路區(qū)別放大器的選擇放大器的選擇好壞對提高測量精度也十分關鍵，根據相關資料查閱，在放大器電路精選中，一般在首級放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運放結構，如下圖七所示，三運放中由A1、A2構成前級對稱的同相、反相輸入放大器，后級為差動放大器，在這個結構圖中，要保證放大器高的性能，參數的對稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R1與R2、R3與R4、R5與R6，還包括A1與A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對器件要求相當高。隨著微電子技術的發(fā)展，市場上出現了專用的高性能的儀用放大器，它的內部核心結構還是三運放，但是，采用微電子來解決剛才的參數匹配問題圖七三運放結構的高性能放大器原理圖已不是什么復雜的問題。隨著近年來微電子技術的發(fā)展，市面上出現了不少專用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三運放結構，在本設計中我們根據手中的元器件材料最終選擇了AD620作為放大器電路的首級放大。AD620是低價格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設置1～1000倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時間和較高的精度，特別適合于精確的數據采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應用系統(tǒng)（如ECG檢測和血壓監(jiān)視）、多路轉換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620的內部結構是由OP-07S組成的三運放結構，性能大大優(yōu)于自制的三運放IC電路設計，圖八是其引腳封裝形式，基本接法是在1腳與8腳之間外接一RG電阻，增益由式G=1+49.4KΩ/RG確定，由于它的外圍電路十分簡單，它在在本系統(tǒng)中的應用祥見下圖八所示。由于我們的溫度測量范圍是0～400℃，而此時的溫度傳感器的電阻值根據分度表為100歐姆～249.38歐姆，由于我們設計的恒流源為5/3毫安，因此AD620的輸入端為166.7毫伏，假設考慮我們的TLC2543的最大輸入為5.000V，我們設計的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為12倍，假設我們只用一個AD620，則AD620的輸出為2V～5V(TLC只能轉換5V)，這樣12位的A/D轉換器的分辨率則大于題目的要求0.1℃，因此，我們必須將100歐姆以下的值通過偏置的方法將其減掉，然后通過增加放大倍數來盡量提高分辨率，這里我們設計的偏置電路同樣見下圖八所示。這里設計的首級放大器的倍數是10倍，而后級放大則為2倍，合計的放大倍數為20倍，這樣就完全滿足設計分辨率的要求。圖八放大電路⑸存儲器和看門狗電路的選擇為了使停電時具有對溫度報警值數據的保護，需要選用具有非易失性（掉電保護數據）的存儲器，而且對于一個典型的單片機應用系統(tǒng)，看門狗電路的設計也是必須的。具有掉電保護數據功能的芯片有很多，有并行的E2PROM，有串行的E2PROM，考慮設計結構的簡單，本系統(tǒng)考慮采用串行方式的E2PROM，常用的有AT24CXX系列、AT93XX系列、AT59XX系列以及X5045等。本設計中選用了X5045，除考慮其有掉電保護數據的功能外，還考慮到其有看門狗功能。選擇串行的還有一個原因是使我們的設計結構在硬件結構上最簡單化。X5045把四種常用的功能：上電復位、看門狗定時器、電壓監(jiān)控和具有塊鎖定的串行E2PROM組合在單個封裝之內。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板的要求。X5045的內部有512個字節(jié)的E2PROM，完全足夠使我們存放溫度的報警值，同時X5045具有最大到1.4S的看門狗溢出時間，這里，我們在軟件上的喂狗時間約為1S。具體的X5045的應用圖見后。⑹時鐘電路的選擇根據題目發(fā)揮部分的要求，需要在系統(tǒng)上加上時鐘，為了保證檢測器的獨立性，我們在每個檢測器上都設計了時鐘，而且主控器上也設計了系統(tǒng)時鐘，既然是時鐘，為防止系統(tǒng)掉電以后時間的不正確，因此，設計了后備電池系統(tǒng)，在正常時給充電電池充電，在電源異常時，電池至少維持時鐘的工作，以保證時間的連續(xù)性。考慮系統(tǒng)結構的簡潔和低功耗（電池供電時）要求，我們選擇了在低功耗技術上比較突出的PHILIPS公司推出的低功耗實時時鐘芯片PCF8563，它是一款工業(yè)級內含I2C總線功能的具有極低功耗的多功能時鐘芯片，只需2條線即可與單片機通信，而且體積小，價格合適，同時考慮到子程序的通用性以及平常的使用經驗，我們選擇了PCF8563作為時鐘電路的核心器件。PCF8563的特性有：寬電壓范圍1.0～5.5V，復位電壓標準值Vlow=0.9V；超低功耗典型值為0.25A（VDD=3.0V,Tamb=25℃）；可編程時鐘輸出頻率為32.768KHz、1024Hz、32Hz、1Hz；四種報警功能和定時器功能；開漏中斷輸出；400kHzI2C總線(VDD=1.8～5.5V)；日誤差小于0.5秒。具體的時鐘應用圖見下圖九所示：圖九時鐘應用圖⑺通信接口的設計在一般的智能儀表中，我們大都采用串行通信方式，其中常用的串行通信方式有RS232和RS485，考慮本設計通信距離大于100米的要求，在本系統(tǒng)中選用RS485。MAX485是由MAXIM公司生產的一種低功率RS485接收發(fā)送器，它將TTL電平與RS485標準電平相互轉換。由于本系統(tǒng)的通信采用RS485標準，因而，在硬件電路中采用MAX485芯片。MAX485芯片的驅動能力是能驅動32個接收器件，因此完全能達到設計的2個或發(fā)揮的4個檢測器，在我們的設計中，硬件我們設計了4個，在上位PC機中，我們的窗口則開了8個，也完全達到系統(tǒng)要求的網絡容量要求。具體的485應用圖見下圖十所示。圖十通信接口圖⑻鍵盤/顯示接口電路的設計顯示器作為常用的現場人機接口，尤其是作為本系統(tǒng)的溫度監(jiān)測儀器，是必需的。常用的顯示器件主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），它們都具有耗電少，成本低，線路簡單，壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于智能儀表場合。在設計中選用LED數碼管顯示器。我們所用的顯示器主要用在顯示時鐘值和顯示溫度值。而鍵盤是我們在現場修改溫度補償、時鐘調整等功能的輸入設備，對于本系統(tǒng)來說也是必須的，我們主控器上都計了鍵盤和顯示器，而在檢測器上僅設計了顯示器。在這里，考慮成本、熟悉程度、器件等眾多因素，我們選擇了最常用的74HC164作為顯示器的驅動器件，而用74HC165作為鍵盤輸入寄存器，具體的電氣原理圖見后面專門附的鍵盤/顯示原理圖，這里，由于通信功能的使用，因此，我們用一般的靜態(tài)端口來作為鍵盤/顯示器的串行輸入輸出線。⑼其它電路的設計在本設計中，還涉及到系統(tǒng)用的電源電路，檢測器的地址選擇電路，聲光報警電路等，由于比較簡單，這里不再贅述。二、系統(tǒng)工作原理我們設計的系統(tǒng)電氣原理圖共有溫度檢測單元電氣原理圖，溫度主控器單元電氣原理圖以及相對獨立的鍵盤顯示原理圖，具體的電氣圖見后附資料。這里我們對主控器和檢測器的工作原理說明如下：由于主控器與我們增加的PC機在某些功能上是互補的，因此，在正常情況下，主控器不斷地以通信的方式向它所轄的檢測器索要最新的溫度數據，并及時在顯示器上循環(huán)顯示各檢測器的最新溫度值，另一顯示器一直在實時顯示當前時鐘值（小時＋分鐘并提供秒閃），當發(fā)現收到的溫度數據大于預先設定的溫度報警值時，發(fā)出聲光報警。同時，各檢測器上的溫度報警值、時鐘值、溫度修正值也可通過主控器鍵盤的輸入與顯示并以通信的方式發(fā)送至檢測器，檢測器在收到后立即按照主控器的命令作出修改自己參數的調整。在主控器電源異常時，后備的充電電池只提供時鐘工作的后備電源。檢測器在上電時通過讀檢測器地址撥盤來確認自己的地址身份，進入正常情況后利用自己的時鐘電路顯示當前的實時時鐘，并不斷地對溫度量進行測量、顯示并保存，供上位PC機或主控器的詢要，當檢測到溫度數據大于預先設定或通過上位PC及主控器傳來的報警值后，發(fā)出聲光報警。同樣在檢測器電源異常時，后備的充電電池只提供時鐘工作的后備電源。與主控器的功能相對應，在收到主控器要求本檢測器修改的溫度報警值、時鐘值、溫度修正值時，檢測器立即按照主控器的命令作出修改自己參數的調整并通過X5045進行存貯。由于時間關系，我們還設計了2臺檢測器模擬單元，它只是用電位器來替代溫度傳感器的溫度變化，且只保留了通信和本機地址識別電路，原理圖見最后附圖三、實驗方法及實驗結果要使本系統(tǒng)達到一定的測量精度，我們在調試的過程中做了如下的工作，采用的主要儀器有：電阻箱型號：ZX21型直流多值電阻器分辨率0.1Ω；萬用表：FLUKE111型，3位半顯示；示波器：DF4320型，雙通道，20MHz1.恒流源的調試在本設計中，根據我們選擇的方案，恒流源的設計十分關鍵，它直接影響溫度信號的采樣。我們測試的方法和實驗結果如下：選擇不同的阻值，根據歐姆定理來反算恒流的效果。實驗結果如下：實驗條件線長L＝50厘米電阻：歐姆電壓：毫伏電阻100110120130140150160170放大器輸入電壓167183201217233250267283電流值mA1.671.6641.671.6681.6661.6661.6681.665電阻180190200210220230240250放大器輸入電壓300316333350367383400417電流值mA1.6661.6641.6651.6671.6681.6651.6671.668選擇長短不一致的接線方式，來衡量恒流效果。實驗結果如下：實驗條件線長L＝350厘米電阻：歐姆電壓：毫伏電阻100110120130140150160170放大器輸入電壓167183200217233251267283.3電流值mA1.671.6641.6671.6681.6661.6661.6681.666電阻180190200210220230240250放大器輸入電壓300317333349366.6384399.6416電流值mA1.6661.6681.6651.6621.6681.6651.6651.665根據上述結果，盡管恒流源略有微小差別，我們可以認為是基本不變的。它為我們的溫度采樣提供了極好的保證，如果考慮我們本身的電阻箱誤差和萬用表的測量誤差，以及其它的一些因素，在本系統(tǒng)中是完全允許的。2.放大器的調試根據設計的要求，我們選擇線性較好的PT100作為溫度傳感器，但如果在前向通道的各個環(huán)節(jié)存在增益的不一致，則嚴重影響后面的硬件設計和軟件編程。因此，放大器的設計與調試十分關鍵。根據前面關于放大器的描述，這里，我們前級放大器的倍數為－10倍，而后級的偏置和放大為－2倍，偏置電路的目的是為了增加系統(tǒng)的分辨率，這里，由于AD620為反相放大，因此偏置的電路是加法電路，而且，考慮溫度在0℃（100歐姆）的輸出為零，因此，我們在接上100歐姆的電阻時，要求兩級放大器的輸出為0，由于設計時的后級放大倍數為2倍，因此，為保證參數的一致性和穩(wěn)定性，我們選用10K和20K的精密電阻（1％）作為輸入電阻和反饋電阻，而在首級放大器AD620的增益調整上，采用進口的精密電位器。根據我們采用實驗電阻箱不同的電阻變化，再測量兩級放大器的輸出電壓，從而證實所設計放大器的線性。下面是我們驗證放大器線性度的實驗數據。單位：電阻：歐姆電壓：伏特電阻100120140160180200220240首級發(fā)大器輸入0．1670．2000．2330．2670．3000．3330．3670．399首級發(fā)大器輸出－1.667-2.001-2.325-2.673-3.003-3.320-3.655-3.996偏置電壓1.6671.6671.6671.6671.6671.6671.6671.667二級放大器凈輸入0-0.334-0.658-1.006-1.336-1.653-1.988-2.329二級放大器輸出壓00.6661.3202.0122.6713.3133.9864.653增益*19.9620.0220.0220.0119.9819.9720.01從上面可看出兩級放大器的放大倍數是基本恒定的，因此本放大器的設計也是比較成功的。四、軟件設計1．檢測器軟件算法與軟件流程⑴有關算法a．數字濾波的應用為保證現場數據的可靠性，防止脈沖尖峰或其它不可預見的瞬態(tài)干擾，我們在軟件上設計了復合數字濾波算法，這里同時考慮軟件編程的方便，我們對溫度信號連續(xù)采樣8次，然后進行排序，頭上棄2個數、尾上棄2個數，然后對中間的4個數求均值，然后計算出當前測量的溫度值。b.最小二乘理論獲取溫度――電阻公式根據誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測量值，辦法一般有2個，要么采用查表法，要么建立高精度的數學模型。如果用查表法，主要有2個問題，如果要提高測量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗來進行多點校正，還有一個問題是程序得通用性差，這臺儀器上校正好得數據可能在另一臺上不合適。而采用已知的分度表，建立數學模型，然后通過工程量（標度）變換，通過測量A/D轉換的結果后計算得到。這里我們考慮2種方法得優(yōu)點，首先采用分段得方法，將測量范圍分段，然后查出該段的數學模型的各個系數，然后計算出溫度值，這里，由于時間的關系，我們對整個測量范圍分了4段，分別為0－100℃、100－200℃、200－300℃、300－400℃，利用分度表進行離線的數學擬合，得到各段的數學模型系數。同時，可通過再將標度值代入可粗略估計在各個測量段內的最大誤差值。我們通過最小二乘法進行線性擬合，得到如下的數學模型為：T1=2.5577R-256.020-100℃T2=2.6366R-267.01100－200℃T3=2.7206R-281.90200－300℃T4=2.8096R-300.94300－400℃上述4個數學模型中，最大的理論誤差值分別為0.25℃、0.265℃、0.267℃、0.279℃，實際上，如果有足夠的時間，我們完全可以分得再細一些，譬如50℃一段，分8段，25℃一段，分16段，那么根據誤差理論，則理論的誤差將會變得更小。3．標度變換公式的獲取根據上述的線性擬合結果：T=A·R-B這里的A、B是上述不同溫度段的系數，而R值由于在輸出為0V時，實際上有個對應于100歐姆的偏置電路，因此根據R-R0=U/I，而I=2.500V/1.500K，而AD/U/G=4096/4.900V，這里的AD值為A/D轉換得結果G為放大器的增益，本設計中的2級放大器的倍數為20倍。將上述條件代入得：T=A·(4.9·AD/4096/G/I+100)-B⑵．檢測器軟件流程YYNYN初始化開始顯示時鐘信息開始測量數據處理得溫度值串口接收中斷？有無報警？顯示時間溫度信息判斷主控單元命令類型依據命令完成抄數、設置等命令發(fā)送應答命令報警處理返回圖十一檢測器流程圖2、主控器軟件流程開始開始系統(tǒng)能源初始化按鍵識別功能跳轉外部中斷1T0中斷參數發(fā)往檢測器報警值設定溫度值修定時鐘設定通道選擇時鐘刷新巡檢通道號發(fā)送獲取各檢測器信息巡回顯示串口中斷退出退出退出圖十二主控器程序流程圖3．通信協(xié)議主控單元向檢測器發(fā)送時協(xié)議：項目起始符（HEX）地址域（HEX）數據長度命令碼（HEX）數據域結束符備注抄數DD分站號02H51H0DH設置溫度報警值DD分站號04H52H注10DH需應答溫度修正值DD分站號04H53H注20DH需應答DD分站號04H54H注30DH需應答設置時間DD分站號04H55H注40DH需應答檢測器向主控單元發(fā)送時協(xié)議：項目起始符（HEX）地址域（HEX）數據長度命令碼（HEX）數據域結束符抄數AA分站號05H61H注50EH應答AA分站號02H62H注60EH注：1：數據的個數為2個，為高報警值，報警的數據格式均為壓縮的BCD碼（十進制），高位在前（整數部分），低位在后（小數部分）。2：修正值為＋，2個字節(jié)，高位在前（整數部分），低位在后（小數部分）。3：修正值為－，2個字節(jié)，高位在前（整數部分），低位在后（小數部分）。4：設置時間為2個字節(jié)，小時在前，分鐘在后5：數據的個數為3個，其中前2個為壓縮的BCD碼代表溫度值，第3個數為報警信號，如為FFH，則有報警；如為00，則無報警。6：收到主控單元所發(fā)的設置命令后，回應此命令。7：校驗碼的算法：把從數據長度開始到數據域結束的所有的數據求和，取256之內的和作為校驗碼值。五、上位pc機軟件設計上位pc機軟件是在WINDOWSXP操作系統(tǒng)平臺上，采用Delphi6.0可視化編程語言開發(fā)的，數據庫采用了微軟的Access數據庫，WINDOWSXP是當前最流行的操作系統(tǒng)，Delphi6.0編程語言，具有其他編程語言不可比擬的優(yōu)點，既具有高級編程語言VB易學易用的特點，又具有VC語言的運行速度快、可直接嵌套匯編程序、可直接訪問硬件的功能，在系統(tǒng)軟件的編程過程中，我們采用面向對象的程序設計方法，以簡便性、實用性、通用性為開發(fā)原則，開發(fā)了這套多點溫度檢測系統(tǒng)軟件。1.上位pc機軟件的主要功能可以與8個檢測器通訊，自動循環(huán)取得每個檢測器所檢測的溫度，對于不使用的檢測器，可以使其處于掛起狀態(tài)，可以設置各檢測器的系統(tǒng)時鐘、溫度報警值、修正值等，檢測數據可以自動定時存盤，各檢測器的溫度歷史數據報表或曲線可以預覽打印，另外還可以選擇通訊串行口、通訊波特率等。2.通訊方式的選擇上位pc機的串口通訊方式有兩種：查詢方式和中斷方式，在本系統(tǒng)中，由于每次的通訊數據量很小，而且每次通訊數據的個數是固定的，因此選擇了中斷方式與各檢測器進行通訊。3.軟軟件開發(fā)環(huán)境硬件環(huán)境：P=3\*ROMANIII以上檔次微機、Windows操作系統(tǒng)支持的任意打印機。軟件環(huán)境：Windows2000/XP操作系統(tǒng)，Delphi6.0編程語言,MicrosoftAccess數據庫系統(tǒng)軟件。六、操作說明1．主控器鍵盤操作說明鍵的定義⑴百位、十位、個位、小數位為獨立設置，每位均可設置為0－9之間的任意整數（例如：設置百位為5，按住百位鍵，使百位遞增為5即可）。⑵確認鍵：用于系統(tǒng)參數設定后確認以及主控器巡測顯示溫度的開始控制。⑶“正”鍵：用于分機所測溫度值的正修正。⑷“負”鍵：用于分機所測溫度值的負修正。⑸“分”鍵：用于設定時鐘的分鐘。⑹“時”鍵：用于設定時鐘的小時。⑺“報警”鍵：用于進入報警設定功能狀態(tài)。⑻“NUM”鍵：用于設定通道號。⑼“通道”鍵：用于進入通道選擇設定狀態(tài)。⑽“停止”鍵：用于停止主控器巡檢顯示狀態(tài)，進入系統(tǒng)參數設定狀態(tài)。具體功能操作：⑴設定：依次按通道NUM通道NUM確認按NUM鍵設定好確認報警確認報警按百、十、個、小設定相應的數值⑵溫度正修正確認確認正修正按百、十、個、小設定相應的數值⑶溫度負修正確認確認負修正按百、十、個、小設定相應的數值⑷分設定：按住“分鍵”，分鐘值由0－59進行循環(huán)顯示，選定所需的值后，松開按鍵即可。⑸時設定：按住“時鍵”，小時值由0－59進行循環(huán)顯示，選定所需的值后，松開按鍵即可。分、時設定完成后，按確認鍵始終開始運行。2．PC機操作說明PC機對多點溫度檢測系統(tǒng)的操作由PC機多點溫度檢測系統(tǒng)軟件實現。該軟件由Delphi6.0語言編寫而成，簡約直觀，操作方便易行，并可實現多種常規(guī)任務，如通信設置，數據處理（生成報表，曲線）,實時監(jiān)測曲線，打印數據等，下面詳述其具體功能：⑴操作界面該軟件操作界面為典型視窗人機界面，如圖十三，可以方便直觀地進行所需操作。主頁面為實時多路溫度采集顯示界面，顯示與各檢測器的通信狀態(tài)，和采集到的溫度數據。另外主界面上還有當前系統(tǒng)日期及時間。其圖十三多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)操作主界面余功能做成命令菜單在界面上方。⑵串口設置窗口該命令菜單主要對pc機于下位檢測機通信的設置，如圖十四?？筛鶕c機所用串口來選擇不同的串口以及通信波特率。在此還可設置該軟件對數據自動存盤時間間隔，可在160min內選擇，以獲取不同自動備份間隔。圖十四串口設置窗口⑶檢測器設置窗口該窗口是pc機對檢測器進行控制的主要窗口，如圖十五?？赏瓿蛇x通/關閉與檢測器通信，設置檢測器溫度報警值，設置溫度修正值，設置系統(tǒng)時間，及pc機顯示各類曲線y軸最大/最小值。圖十五檢測器設置窗口對各類數據修改途徑有兩種：（一）通過上一/下一檢測按鈕來選定所要進行操作的檢測器，其次在各分選欄內修改所要設置數據，最后保存設置即可，如圖十六所示。（二）直接修改串口下放的當前數值顯示區(qū)內的數據，不過修改后徐殿及其他地方以確認修改，如圖十七所示。需要注意的是檢測器號是不可修改的，另外須強調的是修改溫度報警值，修正值及系統(tǒng)時間，再修改數據完畢后需點擊下方的通信按鈕發(fā)送給所要操作的檢測器，同時在界面有上角會出現通信協(xié)議內容，如圖十八左面為pc機箱檢測器發(fā)送時的協(xié)議（詳見通信協(xié)議），右面為檢測器向PC機發(fā)送的應答信號（詳見通信協(xié)議）。圖十六對檢測器典型設置方法一圖十七對檢測器典型設置方法二圖十八修改溫度報警，修正值及設置系統(tǒng)時間成功界面⑷打印報表該軟件可對所采集的數據進行處理生成報表，曲線并可直接打印出來。如圖十九為打印設置界面，可打印某月，某日的數據報表，并可選擇所要打印數據類型：所有數據/報警數據？而且還可生成預覽，如圖二十所示。圖十九打印報表設置窗口圖二十打印日報數據預覽⑸曲線顯示窗口通過該窗口可以很直觀地看到采集到數據所形成的曲線。可以顯示各種曲線，如年曲線，月曲線，日曲線，旬曲線等，也可顯示任一檢測器，任一時間段的數據曲線，如圖二十一設置即可。圖二十二時顯示的某日數據曲線圖。圖二十一曲線顯示窗口設置窗口該曲線圖也可打印出來，并可如圖二十三對打印機進行設置。圖二十二日采集數據曲線顯示模式圖二十三打印曲線時打印機設置⑹實時曲線窗口該軟件還可實時顯示采集到數據的曲線圖,如圖二十四所示，可8個同時顯示。由于溫度變化惰性比較大,所以該系統(tǒng)每隔3秒采集一次樣本數據，并通過滾動x軸形式顯示出來，比較直觀。圖二十四實時監(jiān)測曲線圖⑺關于窗口該軟件是為參加第九屆山東省大學生電子設計大賽多點溫度采集系統(tǒng)而編寫的專用軟件，任何個人和組織均不得以任何形式進行剽竊侵權！圖二十五關于窗口七、系統(tǒng)的測試結果1．溫度值的測量溫度℃012223856647586100測量值℃0.111.722.438.355.664.375.285.6100.5誤差℃0.1-0.30.40.3-0.40.30.2-0.40.5溫度℃113130145160183197208226236測量值℃113.3129.4145.4160.1182.8197.5208.6225.7236.3誤差℃0.3-0.60.40.1-0.20.50.6-0.30.3溫度℃258278297318337353362375381測量值℃258.1278.4297.5317.6338353.3362.6374.5381.3誤差℃0.10.40.5-0.41.00.30.6-0.50.3上述測量值數據的獲得是通過改變電阻箱阻值而得到的，由于我們只有0.1級的電阻箱，而且實驗室長期不進行標定，而PT100的分度表中大多數是2位小數的電阻值，因此，我們只能用電阻值是xx.x0歐姆對應的定標點來做比對實驗，但是從上面的測量數據可看出測量的誤差最大的為1℃，而任務書的基本要求則是測量的分辨率，并不是精度的指標，我們已經從原理上選用了12位的TLC2543作為A/D轉換器，實際上已經解決了分辨率的問題，至于測量精度，我們通過本方法，在任意板上構出2.5‰的技術指標，在短短的幾天時間已屬不易！誤差分析根據原理設計和實際制作，我們簡單分析一下本溫度測量的誤差來源：A.PT100本身的非線性，而我們分段時采用線性擬合（模型誤差）；B.TLC2543的轉換誤差；C.放大器在一定程度上的非線性；D.恒流源的微小變化；E.用任意板鉤接等因素造成的共地阻抗、電磁干擾等種種因素；F.非高精度電阻箱帶來的系統(tǒng)誤差等。2．通信測試首先我們采用串口調試工具，用先前編制好的通信協(xié)議進行通信的模擬調試，在串口調試工具調試成功的基礎上，將主控器、各檢測器以及PC機的程序進行聯(lián)調對接，我們先后成功通過了系統(tǒng)時間的調整、溫度報警值的設置以及將現場溫度（檢測器）傳送至PC或主控器單元，實踐證明，我們的設計是正確的。而且，要求總線的容量要求不管在理論上，還是實際上，我們也都達到系統(tǒng)的發(fā)揮部分要求。3．主控器設置時鐘及溫度修正值的測試結果我們通過上述操作說明的操作方法，在主控器鍵盤和顯示器的配合下，將系統(tǒng)時鐘以廣播的方式發(fā)送出去，考濾系統(tǒng)時鐘在各臺檢測器和主控器上時間的一致性，在修改任意一個的時鐘時，修改系統(tǒng)所掛機器全部的時鐘。根據我們的測試結果，我們的系統(tǒng)完全達到了該功能。溫度的修正值設置也能通過主控器鍵盤來設置，我們在主控器上設置時，首先選定要修正的檢測器號，然后再設置具體的溫度修正值，修正值包括正修正和負修正。由于系統(tǒng)的時鐘和溫度的修正值都是靠通信完成的，因此，只要通信正確，修改時鐘和溫度的修正十分簡單，我們在測試時完全能完成該功能。4．與PC機有關的功能測試由于我們設置了可用PC機來進行數據的查抄、設置，因此，我們根據一般監(jiān)控系統(tǒng)的要求做了界面，根據界面的提示操作，我們也完全實現任務書基本和發(fā)揮部分要求的功能，由于該類測試主要為功能測試而無定量的計算與分析，這里不再贅述。5．其它功能的測試我們在主控器上進行溫度報警值的設置，在溫度的整個測量內，都可以設置為報警值，而且報警值的設置精度也能達到0.1℃并能在用標準電阻箱進行試驗時，完全能實現報警功能。實時時鐘功能的斷電保護功能測試，我們將AC220V線無論從主控器上還是從檢測器上拔出，做了幾分鐘到2個小時不等的多個時間段的斷電試驗，重新插上交流電源，所有的時鐘沒有因此而中斷計時！八、特色與創(chuàng)新幾乎所有的接口芯片都采用串行芯片，大大簡化了系統(tǒng)的接口，如存儲器、A/D轉換器、時鐘芯片等。設計了高穩(wěn)定度的恒流源作為溫度采樣電路，并采用四線制的現場安裝方法，補償了線路阻抗，大大提高了測量溫度的精度。采用分段的最優(yōu)最小二乘法理論實現溫度數據的曲線擬合，既提高了測量精度，又減輕了CPU的負擔。增加PC機作為上位管理微機，并制作了比較人性化的、簡便易學的操作界面，大大豐富了本多路溫度測量系統(tǒng)的內涵，既方便了用戶，又使本系統(tǒng)具有信息化的特點。附錄:WZP型鉑熱電阻（Pt100）分度特性表R0=100歐溫度（℃）0123456789電阻值（歐姆）-20017.2819021.6521.2120.7820.3419.9119.4719.0318.5918.1617.72-18025.9825.5525.1224.6924.2523.8223.3922.9522.5222.08-17030.2929.8629.4329.0028.5728.1127.7127.2826.8526.12-16034.5634.1333.7133.2332.8532.4332.0031.5731.1430.71-15038.8038.3837.9537.5337.1136.6836.2635.8335.4131.93-14043.0242.6042.1841.7641.3340.9140.4940.0739.6539.22-13047.2146.7946.3745.9545.5345.1244.7044.2843.8543.44-12051.3850.9650.5450.1349.7149.2948.8848.4648.0447.63-11055.5255.1154.6954.2353.8753.4553.0452.6252.2151.79-10059.6559.2358.8258.4158.0057.5957.1756.7656.3555.93-9063.7563.3462.9362.5362.1161.7061.2960.8860.4760.06-8067.8467.4367.0266.6166.2165.8065.3964.9864.5764.16-7071.9171.5071.1070.6970.2869.8869.4769.0668.6568.25-6075.9675.5675.1574.7574.3173.9173.5373.1372.7272.32-5080.0079.6079.2078.7978.3977.9977.5877.1876.7776.37-4084.0383.6383.2282.8282.4282.0281.6281.2180.8180.44-3088.0487.6487.2486.8486.4486.0485.6385.2384.8384.43-2092.0491.6491.2490.8490.4490.0489.6489.2488.8488.44-1096.0395.6395.2394.8394.4394.0393.6393.2492.8492.44-0100.0099.6099.2198.8198.4198.0197.6397.2296.8296.420100.00100.40100.79101.19101.59101.98102.38102.78103.17103.6710103.96104.36104.75105.15105.54105.91106.33106.73107.12107.5220107.91108.31108.70109.10109.49109.88110.28110.67111.07111.4630111.85112.25112.64113.03113.43113.82114.21114.60115.00115.3940115.78116.17116.57116.96117.35117.74118.13118.52118.91119.3150119.70120.09120.43120.87121.26121.65122.01122.43122.82123.2160123.60123.99124.38124.77125.16125.55125.94126.33126.72137.1070127.49127.88128.27128.66129.05129.44129.82130.21130.60130.9980131.37131.76132.15132.54132.92133.31133.70134.08134.47134.8690135.24135.63136.02136.40136.79137.17137.56137.94138.33138.72100139.10139.49139.87140.26140.64141.02141.41141.79142.18142.66110142.95143.33143.71144.10144.48144.86145.25145.63146.01146.40120146.78147.16147.55147.93148.31148.69149.07149.46149.84150.22130150.60150.98151.37151.75152.13152.51152.89153.27153.65154.03140154.41154.79155.17155.55155.93156.31156.69157.07157.45157.83150158.21158.59158.97159.35159.73160.11160.49160.86161.24161.62160162.00162.38162.76163.13163.51163.89164.27164.64165.02165.40170165.78166.15166.53166.91167.28167.66168.03168.41168.79169.16180169.54169.91170.29170.67171.04171.42171.79172.17172.54172.92190173.29173.67174.04174.41174.79175.16175.54175.91176.28176.66200177.03177.40177.78178.15178.52178.90179.27179.64180.02180.39210180.76181.13181.51181.88182.25182.62182.99183.36183.74184.11220184.48184.85185.22185.59185.96186.33186.70187.07187.44187.81230188.18188.55188.92189.29189.66190.03190.40190.77191.14191.51240191.88192.24192.61192.98193.35193.72194.09194.45194.82195.19250195.56195.92196.29196.66197.03197.39197.76198.13198.50198.86260199.23199.59199.96200.33200.69201.06201.42201.79202.16202.52270202.89203.25203.62203.93204.35204.71205.08205.41205.80206.17280206.53206.90207.26207.63207.99208.35208.72209.03209.44209.81290210.17210.53210.89211.25211.62211.98212.34212.71213.07213.43300213.79214.15214.51214.